瀝青路面產生裂縫的原因及預防措施

張濤

【摘要】瀝青路面裂縫問題是公路工程質量通病之一。本文從裂縫產生的原因入手，對瀝青路面層間應力進行了較詳細的分析，并有針對性地提出了預防裂縫出現的相應措施。

【關鍵詞】 瀝青；路面；裂縫；預防措施

瀝青路面在使用期開裂是世界各國普遍存在的問題，且不論其基層是柔性的還是半剛性的。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進入水分，使基層甚至路基軟化，導致路面承載力下降，產生唧漿、臺階、網裂等病害，從而加速路面破壞。

1. 瀝青路面開裂原因

1.1 瀝青路面開裂的主要原因可分為兩大類：一種是由于行車荷載的作用而產生的結構性破壞裂縫，一般稱之為荷載型裂縫。另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產生的溫度裂縫，包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫，一般稱之為非荷載型裂縫。

1.2 由于我國現行瀝青路面設計規范中規定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。所以還存在著因為半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產生的反射裂縫或對應裂縫。此類裂縫主要是非荷載型的，在某些情況下也可能是由溫度和荷載共同完成的。

2. 瀝青路面裂縫應力分析

2.1 結構性破壞裂縫

2.1.1 瀝青路面的結構性破壞裂縫主要是由于行車荷載引起的。在車輪荷載作用下，大于半剛性基層材料的抗拉強度時，半剛性基層的底部就會很快開裂。在行車荷載的反復作用下，底部的裂縫會逐漸擴展到上部，并使瀝青面層也產生開裂破壞。影響拉應力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。選取不同的瀝青面層厚度和半剛性基層厚度，通過試驗得出半剛性基層底部的拉應力與半剛性材料回彈模量間的關系曲線。

2.1.2 在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層，可使基層底面由行車荷載產生的拉應力明顯減小，甚至還小于半剛性底基層底面產生的拉應力，這對半剛性基層承受行車荷載的反復作用是十分有利的。

2.2 溫度裂縫。瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種，一種是低溫收縮裂縫或簡稱低溫裂縫，另一種是溫度疲勞裂縫。

2.2.1 低溫裂縫。瀝青材料在較高溫度條件下，具有良好的應力松馳性能，溫度升降產生的變形不致于產生過大的溫度應力，但當氣溫大幅度下降時，瀝青材料逐漸發硬并開始收縮。此時半剛性基層的底部將產生拉應力，當拉應力瀝青混合料的應力松馳趕不上溫度應力增長，混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的，面層中產生的收縮拉應力或拉應變一旦超過瀝青混合料的抗拉強度，瀝青面層就會開裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時，裂縫就更容易發生。由于瀝青路面寬度有限，收縮受路面結構的相互約束小，所以低溫裂縫主要是橫向的。

2.2.2 溫度疲勞裂縫。這種裂縫主要發生在日溫差大的地區。由于溫度反復升降導致瀝青面層溫度應力疲勞，使瀝青混合料的極限拉伸應變（或勁度模量）變小，加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應力松馳性能降低，最終達到極限抗拉強度使路面產生裂縫。

2.2.3 光彈試驗。在面層和基層均無裂縫的情況下，表面降溫30℃，在瀝青面層中產生的溫度應力分布。在面層已有裂縫時，光彈試驗得到的溫度應力分布狀況。

（1）一方面溫度向瀝青面層底部傳遞需要一定的時間，不是瞬時完成的，而且瀝青面層內部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同，始終有溫度差，即瀝青面層中會產生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚，表面溫度與底部溫度差愈大，層間溫度梯度也愈大。

（2）另一方面瀝青面層表面的溫度應力隨著面層的增厚而增加，面層內的應力隨深度而很快減小，同時面層表面的溫度應力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開裂，隨著持續低溫或另一次降溫，在裂縫尖端會產生較大的應力集中，使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個瀝青面層；由于面層底部與基層表面的粘結作用，裂縫呈現上寬下窄現象。

2.3 半剛性路面的反射裂縫和對應裂縫

2.3.1 由半剛性基層溫縮開裂引起的反射裂縫。通常假設導致反射裂縫的機理是處于瀝青面層下的半剛性基層已經開裂，并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行車荷載引起的下臥路面結構在裂縫處的差動位移，水平位移是由溫度變化或水分變化引起的膨脹和收縮。 冬季或在寒冷地區，在結合得好的瀝青面層下，開裂的半剛性基層的水平位移使得直接在裂縫上的面層內產生大的拉應力或拉應變，由于在較低溫度下瀝青面層通常較硬，它只能承受小的拉應力或拉應變，因此容易被拉裂，并且裂縫的擴展途徑是由下至上的。瀝青面層的厚度愈薄，反射裂縫形成的愈早和愈多。

2.3.2 由半剛性基層干縮開裂引起的反射裂縫或對應裂縫。

（1）對于新鋪的半剛性基層，隨著混合料中水分的減少，要產生干縮和干縮應力；水分減少得愈多愈快，產生的干縮應力和干縮應變就愈大。在已經產生干縮裂縫的半剛性基層上鋪筑瀝青面層，在較薄瀝青面層的情況下，半剛性基層的裂縫會由于溫度應力而使面層底部先開裂，并較快形成反射裂縫。一旦行車產生的拉應力與溫度應力相結合，反射裂縫會形成得更快。在較厚瀝青面層的情況下，由于溫度應力在表面最大，基層的裂縫將促使面層先從表面開裂，然后逐漸向下傳播形成對應裂縫。以上結論已被長沙交通學院光彈模型試驗所證實，表面降溫30℃時，不同厚度瀝青面層內下層裂縫上方的溫度應力分布規律。

（2）不同的應力分布規律不難推斷，通過進一步的試驗或計算，將會得到一個臨界面層厚度。面層厚于此臨界厚度時，裂縫將主要從表面開始；薄于此臨界厚度時，裂縫可能主要從底部開始。此臨界厚度與氣候條件、面層混合料的勁度模量、溫縮性以及基層混合料的溫縮性有關。

3. 影響裂縫產生的主要因素

3.1 瀝青及瀝青混合料的性質。瀝青和瀝青結合料的性質是影響瀝青路面溫度開裂的最主要原因，瀝青混合料的低溫勁度是決定瀝青路面是否開裂的最根本因素，瀝青勁度又是決定瀝青混合料勁度的關鍵。在瀝青性能指標中，影響更大的是溫度敏感性，溫度敏感性大的瀝青更容易開裂。

3.2 基層材料的性質。基層材料的收縮性愈小，面層裂縫愈少。基層上有透層油以加強與面層的粘結對抗開裂是有好處的，基層材料種類對瀝青面層的裂縫率有明顯影響。

3.3 氣候條件。極端最低溫度、降溫速率、低溫持續時間、升降溫循環數次數是氣候條件影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。

3.4 交通量和車輛類型。半剛性基層中的最大拉應力，通常是由最重的車輪荷載產生的；并且對于半剛性路面，不同軸載對路面的破壞作用遠不是4次方的關系，而11～13次方的關系，即使是通過次數較少的重荷載也對路面破壞起著決定性的作用。

3.5 施工因素。主要指半剛性基層材料的碾壓含水量，半剛性基層完成后的暴曬時間等因素。

4. 減輕瀝青路面裂縫的措施

根據規范，通過路面結構設計和厚度計算可以滿足瀝青路面強度和承載能力要求，基本解決荷載型裂縫產生的問題。對于如何避免或減輕非荷載型裂縫的產生，應從設計與施工兩個方面來進行考慮。

4.1 設計方面。

（1）在進行半剛性路面設計時，首先應選用抗沖刷性能好、干縮系數和溫縮系數小、抗拉強度高的半剛性材料做基層。

（2）選用松弛性能好的優質瀝青做瀝青面層。在缺少優質瀝青的情況下，應采取改善瀝青性質的措施。

（3）在穩定度滿足要求的前提下，優先選用針入度較大的瀝青做瀝青面層。

（4）瀝青面層采用密實型瀝青混凝土。

（5）采用合適的瀝青面層厚度，確保半剛性基層在使用期間一般不會產生干縮裂縫和溫縮裂縫。

（6）為進一步提高表面層抗溫度裂縫性能，可采用橡膠瀝青或聚合物瀝青在瀝青混凝土表面做一封層。

（7）設置應力消減（應力吸收）中間層。

4.2 施工方面。

（1）嚴格控制半剛性基層施工碾壓時的含水量，混合料的含水量不能超過壓實需要的最佳含水量或控制在施工規范容許的范圍內。

（2）半剛性基層碾壓完成后，要及時養生。

（3）半剛性基層碾壓完成后或最遲在養生結束后應立即用乳化瀝青做透層或封層。

（4）透層或粘層完成后，應盡快鋪筑瀝青面層。

5. 結束語

實際上按照現行瀝青路面設計規范要求，瀝青路面厚度設計相對偏厚，目前采用的半剛性基層收縮性都比較小，施工工藝水平有很大提高，所以新建半剛性瀝青路面上出現的裂縫絕大多數是瀝青路面本身產生的溫度裂縫。如何提高瀝青面層的防裂性能、改善瀝青及瀝青混合料的使用品質應是我們今后研究的主要方向。